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利用MS計算水分子的徑向分布和擴散系數

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1.建立初始結構

(1)建造一個的水分子

運作MS,建立一個Project命名為water molecular。打開一個新的xsd文檔命名為H2O.xsd。在工具欄選擇Sketch Atom工具繪制一個水分子,如下圖所示。然後點選Clean工具修正得到合理的幾何構象。

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(2)建造多分子水的無定型體系

選擇菜單欄Modules上的Amorphous Cell,在下拉清單中選擇Construction,打開Amorphous Cell Construction對話框。點選Add按鈕将水分子添加到體系中,單擊Constituent molecules欄中Number下的數字,設為500。相應的,溫度298K;Number of configurations填1;Cell type選Periodic cell(設定體系含有周期性邊界條件);水密度0.997g/cc。在Setup頁籤中,選用Compass力場;Job description可設定任務名稱。

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點選Construct開始建構,在Project explorer中出現了一個新的名為Sketch 1 AC Constr的檔案夾。計算結束後産生一個包含500個水分子無定形體系的軌迹文檔Sketch 1.xtd,如下圖。

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1.動力學模拟

(1)優化體系

建構好的水分子無定形體系需要用Discover子產品中的Minimizer對其進行優化,打開Discover Minimizer對話框相關設定如下圖,然後點選Minimize按鈕開始優化。

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優化結束後,會在Project Explorer中建立了一個新目錄Sketch 1 Disco Min,當任務完成時,最小化的結構會被存放到這個新目錄下。

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(2)動力學模拟

用Discover子產品中的Dynamics對體系進行平衡計算,打開Discover Molecular Dynamics對話框,下圖所示。Ensemble(系綜)下拉清單選擇NPT,Temperature為298K,溫度控制方法選擇為Nose,壓力為0.0001Gpa,壓力控制方法為Berendsen,步數設為10000,時間步長為1fs,Save下拉清單中選擇Full,Frame output every處設為200steps(每200步輸出一次體系構型檔案)。點選Run開始運作,運作結束後會自動産生一個Sketch 1 Disco Dynamics檔案夾,裡面包含Sketch 1.xtd文檔。

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1.進行水分子徑向分布函數及擴散系數分析

激活Sketch 1 Disco Dynamics檔案夾裡面的Sketch 1.xtd文檔,按住Alt鍵輕按兩下其中一個H原子即選中所有水分子中的H,在菜單欄Edit下拉菜單中選Edit Sets,打開Edit Sets對話框,按New按鈕将所有H原子命名為H;用同樣的方法将體系中的O原子命名為O;按Ctrl+A選中所有水分子命名為H2O。設定完成後,就可以對水分子進行分析了。

(1)徑向分布函數

在工具欄Discover下拉清單選擇Analysis,打開Discover Analysis對話框。在視窗菜單中選中Structural目錄下的Pair correlation function(徑向分布函數),點選按鈕Define,打開Trajectory Specification(Discover)對話框,點選Add to list,添加命名後的水分子軌迹檔案,關閉對話框。回到Discover Analysis,在Choose sets中在第一個下拉框選擇H,第二個下拉框選擇O,如下圖所示。設定完成後,點選Analyze按鈕開始進行分析。

利用MS計算水分子的徑向分布和擴散系數
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運作結束後會自動産生一個Sketch 1 Disco Pair correlation function檔案夾,激活該目錄下的Sketch 1.xcd文檔。可以看到圖中有九條g(r)曲線,其中aa、ab、bb分别表示H-H、H-O、O-O;total、intra、inter分别表示分子内和分子間總的g(r)、分子内g(r)、分子間g(r)。右擊圖像,在快捷菜單中選擇Delete Graphs,選中所有total和intra項,點選Delete。剩下的就是分子間H-H、H-O、O-O的徑向分布函數,如下圖。

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上圖給出了水分子中各原子對徑向分布函數。O-O 徑向分布函數在0. 275 nm處出現最高峰值,表示由于氫鍵互相作用下中心水分子與最近鄰水分子間氧氧距離;O-H 徑向分布函數在0. 175 nm 和0. 325 nm 處均出現峰值,這分别是有氫鍵作用和無氫鍵作用的O-H 距離;H-H 徑向分布函數在0. 245 nm 和0.465nm處出現峰值。

0.275;0.175,0.325;0.245,0.475

0.265;0.175,0.325;0.235,0.475

(2)擴散系數

因為MS軟體中無法直接對軌迹檔案求出體系的擴散系數,但是可以通過分析均方位移(MSD)來間接求出體系的擴散系數:即均方位移曲線斜率的六分之一就是體系的擴散系數。

在剛才的Discover Analysis對話框中,選擇Dynamic目錄下的Mean squared displacement (均方位移),點選Define,再點選按鈕Add to list,添加命名後的水分子軌迹檔案,關閉該對話框。回到Discover Analysis,在Choose sets中選中H2O,如下圖所示。然後點選Analyze開始分析。

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運作結束後會自動産生一個Sketch 1 Disco Mean squared displacement檔案夾,激活裡面包含Sketch 1.xcd文檔。右擊圖形,選擇Delete Graphs,可将X,Y,Z方向的MSD圖像删除,留下我們需要的圖像,如下圖。

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